Wie die Pflanzenblätter: Solarzelle erzeugt Wasserstoff direkt aus Wasser

Wasserstoffantriebe gelten als effiziente Motoren der Zukunft. Doch bislang ist die Herstellung von Wasserstoff zu aufwändig und teuer, um klimaverträglich zu sein. Jetzt allerdings präsentierten Forscher der Pennsylvania State University ein Solarzellensystem nach dem Vorbild der Photosynthese in Pflanzen.

Boston (USA)/University Park (USA) - Es nimmt die Sonnenenergie auf und zerlegt mit ihrer Hilfe Wasser direkt in Sauerstoff und nutzbaren Wasserstoff. Herkömmliche Solarzellen wandeln lediglich Sonnenenergie in elektrische Energie um, die dann zur Wasserstofferzeugung dienen kann. Grundlage des neuen Systems sind Farbstoffe, die in einer Katalysereaktion das Wasser in seine Bestandteile zerlegt und so den Prozess immer wieder neu durchlaufen kann. In früheren Versuchen waren die Farbstoffmoleküle jeweils verbraucht worden oder Sauerstoff und Wasserstoff reagierten direkt nach der Trennung wieder zu Wasser. Die neue Methode sei derzeit zwar noch sehr ineffizient, doch man habe bewiesen, dass sie funktioniert, so das Team. Jetzt könne man an vielen Stellen ansetzen, um die nötigen Verbesserungen und eines Tages Marktfähigkeit zu erreichen.

"Wenn sich dies realisieren lässt, wäre die Wasser-Photolyse eine saubere Quelle für Wasserstofftreibstoff aus Wasser und Sonnenlicht", erklärte Thomas E. Mallouk auf der Jahreskonferenz der American Association for the Advancement of Science (AAAS) in Boston. Das Team um den Professor für Materialforschung der Pennsylvania State University, gemeinsam mit Forschern der Arizona State University, versuchte den direkten Nachbau der Photosynthese-Prozesse in der Pflanze. Ziel war, den Elektronentransfer und die Oxidationsprozesse in den Pflanzenzellen nachzuahmen, mit Sonnenlicht als Energiequelle in einem kontinuierlich sich wiederholenden Prozess. Dazu sind katalytische Materialien notwendig, die nach Ablauf der chemischen Reaktion wieder unverändert für neue Durchläufe zur Verfügung stehen. Das Team erreichte dies mit winzigen Komplexen aus Iridiumoxid-Molekülen, umgeben von orangeroten Farbstoffmolekülen. Statt grünen Chlorophylls setzten die Forscher auf die orange-roten Farbstoffe, weil sie besonders gut den energiereichen blauen Anteil des Sonnenspektrums absorbieren. Zudem sind ihre Eigenschaften aus früheren Studien gut analysiert. Die Molekül-Cluster messen rund zwei Nanometer im Durchmesser, wichtig ist der freie Raum rund um den Kern. Treffen Photonen des Sonnenlichts auf die Farbstoffmoleküle, so regt die Energie deren Elektronen an, die wiederum die Wassermoleküle aufspalten und Sauerstoff freisetzen können.

Rund 50 Mal pro Sekunde kann dieser Prozess ablaufen, so Mallouk, rund drei Größenordnungen schneller als die nächstbesten synthetischen Katalysatoren und vergleichbar mit einem Teilablauf in der Pflanzenphotosynthese, der so genannten Photosystem II. Die Forscher setzten ihr Katalysatormaterial auf eine Titandioxid-Elektrode und tauchten sie gemeinsam mit einer Platin-Kathode in eine Salzlösung. Eine Trennung der beiden verhinderte das sofortige Rekombinieren von Wasserstoff- und Sauerstoffmolekülen zu Wasser. Der Solarzellentyp ist vergleichbar mit jenen, die elektrischen Strom erzeugen, mit dem Unterschied, dass der Katalysator direkt die Gase erzeugt. Dazu benötigt er eine Mindestspannung on 1,23 Volt, welche die bisherige Anordnung noch nicht leistet, so dass die Forscher rund 0,3 Volt hinzufüttern mussten.

Soweit erreicht das System eine Effizienz von 0,3 Prozent, während herkömmliche Solarzellen die Sonnenenergie mit mehr als 10 Prozent Effizienz umwandeln können. Doch die Forscher sehen in ihrem System noch viel Raum für Verbesserung -- in der Effizienz des Farbstoffes, dem Aufbau des Katalysators und der allgemeinen Geometrie des Systems.